超乎想象的宇宙趣聞

物理 宇宙 地球 霸王龍 香蕉 大科技雜誌社 2018-11-29

宇宙本身的神奇之處往往超越了人類最狂野的想象。現在,讓我們看一看宇宙到底有多麼讓人難以置信吧!

超乎想象的宇宙趣聞

1、所有人類都可以裝進一個糖塊裡。

沒錯,所有的、幾十億人都可以放入一個小小的糖塊中。這不是開玩笑,因為物質內部有著不可思議的空間。

我們知道,物質的基本組成單位是原子,比如水分子由兩個氫原子和一個氧原子構成。原子又是由原子核和圍繞原子核運動的電子構成的,比如一個氧原子由包含了8個質子、若干個中子的原子核和8個電子構成。在原子內部空間,質量的分佈是極其不均衡的,包含了整個原子質量99.9%的原子核只佔了整個原子體積的一萬億分之一,我們可以說,除了原子核和那個在外面高速運動的電子外,原子的絕大部分空間其實基本上是“空的”。

原子內部到底有多空曠?打個比方,如果原子有一個足球場那麼大,那麼原子核就是放在球場中央的一顆葡萄!這意味著,如果我們壓縮掉自己身體中所有原子內部的多餘空間,全人類的體積總和,將只有一個糖塊那麼小!

這聽上去有點殘忍,也令人匪夷所思,但其實宇宙中還真有這種“糖塊”,那就是中子星。質量很大的恆星在死亡時爆炸,剩餘物質被強烈地壓縮,電子被擠壓到原子核裡,和質子合併形成中子,於是這個剩餘的天體就渾身上下全都是中子,幾乎沒有了一絲空隙,這就是中子星。中子星密度極高,1立方厘米的中子質量就有1億噸重!

好重的“糖塊”!

2、太陽就算是香蕉堆出來的, 也一樣會熱力四射。

太陽質量很大,要保持自己不被巨大的引力壓垮,它的中心溫度要非常高(足有1500萬攝氏度),才能產生足夠強大的膨脹力與自身的引力對抗。

太陽剛形成時,在自身物質壓縮的同時,釋放出了巨大的能量,於是可以讓太陽中心達到了如此的高溫,不過要在此後幾十億年裡始終保持這樣的溫度,則需要太陽內部發生核反應,氫原子不斷聚變成氦原子,釋放出大量的熱量,以維持太陽中心的溫度。所以從原理上看,太陽由什麼物質組成,其實並不很重要。任何物質聚集在一起,只要總質量達到太陽的水平,物質的壓縮都會產生很高的溫度。太陽的質量大約是2×1030千克,如果我們把2×1030千克的香蕉集中到一個地方,它們的重力壓縮的結果,也會讓中心出現與太陽中心相近的溫度!

當然了,香蕉太陽和我們天空中的那個太陽還不一樣。香蕉主要成分不是氫,而是碳和氧,這兩種元素髮生聚變反應要比氫快得多,所以就算我們找到了那麼多香蕉,製造出了香蕉太陽,它維持內部高溫的時間也會比我們現在的太陽短得多,只要幾千年的時間,香蕉太陽就熄火了。

3、98%的宇宙是看不見的。

組成人類、行星和恆星的普通物質只佔宇宙質量的4%,其中的2%是我們現在觀測到的恆星、星系等發光天體,另外2%是不發光的行星、黑洞等天體。

佔宇宙質量23%的物質則是由未知粒子組成的,它們是根本不可能發光的暗物質。暗物質雖然不發光,但卻會通過引力發揮作用,這恰恰洩露了這些隱身者的位置。就好比我們看不到風,但空氣流動讓我們感受到風的存在。由於大量暗物質的存在,圍繞在它周圍的星系轉速很快,如果沒有暗物質的拉扯,星系早已經飛散開了。

另外還有73%的宇宙則是由暗能量組成的。1998年,科學家通過研究一種超新星發現,宇宙正在加速膨脹。這種超新星在爆發的時候,光度的極大值基本上都是相同的,於是科學家可以通過觀察超新星的明暗情況,來間接地推斷它們遠離地球的速度,進而推導出宇宙在不同時期的膨脹速度快慢。結果令人震驚,宇宙早期膨脹速度慢,而如今膨脹速度快。

這說明,宇宙中一定有某種東西與相互吸引的物質對抗著,它起著排斥力的作用,加速了宇宙的膨脹。這就是暗能量,它是除了暗物質之外,我們另一個無法直接觀察到的東西。

暗物質和暗能量到底是什麼?這還是個未解之謎,如果你能搞清楚它們的本質,那麼諾貝爾獎將在那裡等著你。

4、我們現在看到的太陽光有3萬年曆史。

太陽光從太陽發出,到達地球需要多長時間?

這是我們在中學時碰到的一道物理題,根據光速和日地距離,計算的結果是8分鐘。不過,如果你真的仰望一下太陽,以為射入你眼睛的光是8分鐘之前才產生的,那就錯了。因為光子從太陽中心誕生,到達太陽表面,要經歷很長的時間。

前面我們已經知道,太陽內部溫度很高,所以電子都脫離了自己的原子核,自由運動。在這種密佈著自由電子的環境下,太陽中心核聚變產生的光子不會沿著直線跑出來,而是會不斷地和周圍的電子發生碰撞,不停地改變前進的方向。平均來說,一個光子運動幾毫米的距離,就會和周圍的電子碰撞一次,這讓它們幾乎寸步難行。

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太陽的直徑約140萬千米,本來如果光子能夠暢行無阻,它們可以在不到5秒內就抵達太陽表面,但經歷了非常曲折艱辛的路程後,一個光子需要3萬年才能從太陽內部發射出來!

換句話說,我們現在眼睛接收到的光,是在最近的一次冰川時期的太陽生成的。

5、生活在一樓的人變老速度 比五樓更慢。

根據愛因斯坦的廣義相對論,引力更強的地方時間更慢。在同一棟樓裡,一樓距離地心比五樓近,引力更強,因此處於一樓的人變老的速度也就更慢!

當然,這個效應是非常小的。具體的公式是T=gh/c3,g為重力加速度,h是高度差,c是光速,T就是壽命延長的時間。簡單估算,這個壽命的增加也就是1022分之1,考慮到1年才3000多萬秒,因此一樓和五樓的時間差別比1秒鐘還要微小很多。

我們沒必要為了微不足道的長壽時間特意住地下室吧?

6、你的電視機接收到的噪聲信號中, 有1%直接來自宇宙大爆炸。

宇宙起源於一次大爆炸,從一個非常非常小的“奇點”開始,迅速地膨脹。時至今日,大爆炸的時候產生的光仍然在整個宇宙中游蕩著,自然在我們身邊也有當時產生的光在遊蕩。

不過,今天的光已經和剛產生時有所不同了。由於宇宙經過了137億年的膨脹,時間和空間膨脹的同時,其中的光子也在“膨脹”,具體表現是,它們的波長隨著時空拉長了,而光子能量與波長成反比,所以這些光子的能量已經大大降低了。如今最早的那批光子的波長早已不在可見光的範圍,而是變成了微波。

有趣的是,我們的電視機接收到電磁波信號也是微波,所以那些大爆炸中產生的光子如今也可以被我們的電視機接收到,只不過它們不會給我們帶來漂亮的畫面,它們只是變成了電視機接收到的噪聲信號而已。

7、一個原子可以同時位於兩個不同的地方,相當於你可以同時出現在北京和上海。

根據量子力學,一個粒子根本不存在什麼確切的位置,它可以在同一時間身處一個區域內的某個任意位置,只是不同位置出現概率有所不同。

這不是假說,而是得到了實驗證明的事實。例如,當我們把原子一個接一個打向紙板上的兩條很窄的縫隙,可以在後面膠片上形成明暗相間的條紋,和被狹縫分成兩束的光互相疊加形成的條紋類似。這說明每個原子都同時穿越了兩個縫隙,自己影響了自己在空間分佈的概率。

既然粒子可以同時處於多種狀態,利用這種特性,就可以利用一個粒子同時進行多個計算。現在世界上有許多研究者正在嘗試製造運算能力超強的量子計算機,這又是一個能獲得諾貝爾獎的研究方向。

8、100萬個宇宙的全部信息可以

裝進一個128兆的閃存中。

量子力學告訴我們,物質和能量都不是連續的,而更新的一種理論認為,就連空間本身也並非是連續的,而是由無法再分割的微小網格組成的。宇宙在大爆炸後經歷了一段膨脹非常迅速的時期,科學家稱之為暴漲,在暴漲之前,宇宙其實是非常小的,其中包含的格子當然也就很少。

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根據科學家的計算,暴漲前整個宇宙只有1000個基本網格。如果把每個空間格子中有物質用1表示,沒有物質用0表示,此時的宇宙中物質的分佈情況就被轉化成了1000個比特的信息。而我們的128兆的閃存就可以存儲10億比特,從容量上看,這就相當於100萬個早期宇宙所含的信息!

當然了,經過137億年的膨脹,現在宇宙中的信息已經遠多於過去,要存儲現在的宇宙,不要說128兆,幾千萬億兆的存儲器也遠遠不夠。

9、我們每呼吸一次,就能吸入一個曾被霸王龍呼吸過的原子。

霸王龍早就滅亡了,但它們活著的時候呼吸的空氣分子卻還在地球上存在著。

分子和原子非常小,要壘起一頁紙的厚度,至少需要1000萬個原子。一隻霸王龍每次呼出的原子數量是非常驚人的,它一生呼出的原子足以散佈到整個大氣層。從概率上看,我們每呼吸一次,都會吸入一個由一隻霸王龍曾經呼出的原子。

10、宇宙之外存在無限數量的你正在閱讀同一篇文章。

這是科學家不想讓你知道的小祕密,因為這讓他們自己也非常茫然。

根據量子力學的某種解釋,世界上可能存在著與我們的宇宙平行的無限數量的其他宇宙。在量子物理中每進行一次觀測,就會產生出新的平行宇宙,在每個宇宙中,那次觀測的結果都是不一樣的。

這就好比你擲骰子,每擲一次,宇宙都會分裂成6個,在有的宇宙中骰子是1點,有的則是2點、3點、4點、5點或6點。這些平行宇宙雖然有著各種細微的不同,但是每個宇宙裡都有一個你,做著同樣的事。不過結果略有不同,在有的宇宙中,骰子的點數讓你贏了,而在另外的宇宙中,骰子的點數讓你輸了。

超乎想象的宇宙趣聞

以上趣聞只是宇宙趣聞中的滄海一粟。科學界有一個說法,叫做“多導致不同”,大意是說在一個系統中,當物質的量增加後,整個系統就“由量變到質變”,呈現出不同的面貌,或者有更多的、不同於過去的新現象湧現出來。就比如幾個原子可能只是零散地分佈在空間中,但當原子數量很多時,它們就會組成各種各樣的分子,分子之間甚至還發生反應,形成更復雜的分子。

宇宙恰恰具有非常廣闊的空間,以及非常漫長的時間,宇宙這個系統也是從極小的奇點開始,膨脹到如此廣大的規模;而且宇宙之外甚至還有另外的宇宙。宇宙的“多”的確給我們帶來了“不同”,也帶來了不少令人驚訝的趣聞。

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